機(jī)械故障診斷技術(shù)與方法

機(jī)械設(shè)備故障診斷學(xué)石油高校（北京）機(jī)電學(xué)院樊建春

石油高校（北京）機(jī)電學(xué)院Tel010-89734027Mobile_Mail:fjc688@126

北京昌平中國石油高校（北京）機(jī)電學(xué)院郵編：102200石油高校（北京）故障診斷探討中心設(shè)備故障診斷探討油液分析診斷技術(shù)振動分析診斷技術(shù)聲放射診斷技術(shù)油氣管道泄漏檢測油液分析診斷軟件開發(fā)磨損圖像分析與自動識別直讀式旋轉(zhuǎn)鐵譜儀開發(fā)X-射線熒光能譜在線監(jiān)測儀便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)振動故障診斷專家系統(tǒng)套管磨損監(jiān)測及預(yù)料方法現(xiàn)代設(shè)備管理理論與方法大功率柴油機(jī)故障診斷車用發(fā)動機(jī)故障診斷輸油泵故障診斷大型壓縮機(jī)故障診斷機(jī)械故障診斷技術(shù)概論第一章緒論其次章機(jī)械設(shè)備故障形式與分析方法第三章常見設(shè)備診斷系統(tǒng)第一章緒論機(jī)械設(shè)備故障診斷的意義機(jī)械故障診斷學(xué)機(jī)械故障診斷技術(shù)的發(fā)展理論與實(shí)際意義機(jī)械故障診斷的內(nèi)容和任務(wù)信號獲得—特征提取—診斷—修理機(jī)械故障診斷理論與方法機(jī)械故障診斷的學(xué)科性質(zhì)機(jī)械故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢1-1機(jī)械設(shè)備故障診斷的意義機(jī)械故障診斷學(xué)通過測取機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)或在相對靜態(tài)條件下的狀態(tài)信息，對其加以處理和分析，結(jié)合診斷對象狀態(tài)的歷史記錄，來識別設(shè)備的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)、預(yù)知有關(guān)異樣故障和預(yù)料將來技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)而確定必要維護(hù)策略的一門學(xué)科特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性與歷史性結(jié)合動態(tài)特征與靜態(tài)特性結(jié)合監(jiān)測與診斷結(jié)合機(jī)械故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷史第一階段：19世紀(jì)工業(yè)革命到20世紀(jì)初低的生產(chǎn)力水平：事后修理方式其次階段：20世紀(jì)初到20世紀(jì)50年頭規(guī)?；a(chǎn)方式—定期修理—設(shè)備診斷技術(shù)孕育由聽、摸、聞、看到初步的設(shè)備診斷儀器第三階段：20世紀(jì)60—70年頭大規(guī)模生產(chǎn)方式—狀態(tài)修理—設(shè)備診斷技術(shù)形成第四階段：20世紀(jì)80—目前柔性生產(chǎn)方式—風(fēng)險(xiǎn)管理—智能化設(shè)備診斷技術(shù)設(shè)備診斷相關(guān)信息的集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化利用現(xiàn)代修理技術(shù)發(fā)展三階段的期望值演化第一階段：故障時(shí)即修理其次階段：更高的設(shè)施可用度更長的設(shè)備壽命更低的成本第三階段：更高的設(shè)施可用度和牢靠性更高的平安性更高的產(chǎn)品質(zhì)量對環(huán)境無危害更長的設(shè)備壽命更高的成本效益設(shè)備故障觀點(diǎn)的變更第一階段其次階段第三階段第一階段：correctivemaintenance其次階段：預(yù)防性修理preventivemaintenance第三階段：視情（狀態(tài)）修理conditionbasedmaintenanceTPM：全員修理totalproductivitymaintenanceRCM：牢靠性修理reliabilitycentredmaintenanceDesign-outMaintenance修理制度及觀念的變更第一階段：故障時(shí)即修理其次階段：定期大修工作的支配和限制系統(tǒng)體積大、速度慢的計(jì)算機(jī)第三階段：狀態(tài)監(jiān)測牢靠性和修理性設(shè)計(jì)危害分析故障模式和影響分析專家系統(tǒng)技能的多重化及合作資源共享體積小、速度快的計(jì)算機(jī)設(shè)備修理技術(shù)的變更開展機(jī)械故障診斷的意義理論意義檢驗(yàn)相關(guān)理論，尋求最佳診斷方法，完善診斷理論帶動相關(guān)理論的發(fā)展：測試、信號處理、模式識別推動材料科學(xué)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)進(jìn)步實(shí)際意義實(shí)現(xiàn)設(shè)備的視情修理，提高設(shè)備管理水平確保設(shè)備平安牢靠運(yùn)行，最大限度發(fā)揮設(shè)備效益降低設(shè)備事故率，提高平安管理水平1-2機(jī)械故障診斷的內(nèi)容和任務(wù)機(jī)械設(shè)備狀態(tài)信號的獲得選擇合理的測試技術(shù)與方法機(jī)械設(shè)備故障特征的提取信號處理濾波、維數(shù)壓縮、形式變換、信號增加、精化故障特征信號分析時(shí)域分析、頻域分析、幅值域分析、圖象特征提取故障診斷修理決策異樣信號采集故障診斷建立檔案庫正常信號采集預(yù)處理信號處理模式識別標(biāo)準(zhǔn)診斷庫建立輔助診斷、維修決策預(yù)處理信號處理模式識別機(jī)械設(shè)備設(shè)備故障診斷的內(nèi)容和任務(wù)1-3機(jī)械故障診斷理論與方法基于故障機(jī)理的診斷方法基于故障樹分析的診斷方法基于信號分析和處理的診斷方法基于模式識別的診斷理論基于模糊數(shù)學(xué)的診斷理論基于灰色系統(tǒng)的診斷理論基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷理論和方法基于專家系統(tǒng)的智能診斷方法油液分析診斷方法紅外熱成像診斷、超聲波診斷、放射線同位素診斷無損探傷診斷、熱工參數(shù)診斷、電工參數(shù)診斷機(jī)械故障診斷學(xué)的學(xué)科性質(zhì)機(jī)械故障診斷學(xué)故障機(jī)理：

力學(xué)機(jī)械學(xué)摩擦學(xué)材料學(xué)制造工程修理工程工藝學(xué)設(shè)備運(yùn)用測試與信號：傳感器原理電子電工測控技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)信號處理信號分析圖象處理圖象分析信息與人工智能技術(shù)：模式識別專家系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊數(shù)學(xué)灰色理論計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理工程：

行為科學(xué)系統(tǒng)工程修理管理決策技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理平安工程……跨學(xué)科技術(shù)1-4機(jī)械故障診斷技術(shù)發(fā)展趨勢現(xiàn)狀與存在的問題旋轉(zhuǎn)機(jī)械與往復(fù)機(jī)械的診斷管理與資源利用診斷儀器測試與診斷脫節(jié)、功能單一、對操作人員要求較高探討與發(fā)展方向虛擬儀器—診斷裝置集成化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化考慮監(jiān)控的設(shè)計(jì)診斷中心：專家診斷、數(shù)據(jù)共享、資源節(jié)約診斷理論總體發(fā)展趨勢不解體、高精度、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化溫度傳感器壓力傳感器速度傳感器加速度傳感器位移傳感器油液分析儀…潤滑系統(tǒng)回油管路信號調(diào)理、采集與轉(zhuǎn)換限制模塊信號處理數(shù)據(jù)分析與特征提取多源診斷信息融合故障模式分類推斷診斷結(jié)論修理決策系統(tǒng)學(xué)問庫診斷數(shù)據(jù)庫限制系統(tǒng)多源診斷信息檢測標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口網(wǎng)絡(luò)化信息集成數(shù)據(jù)通訊協(xié)議智能化診斷軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊其次章機(jī)械設(shè)備主要故障

形式及其分析方法機(jī)械設(shè)備的主要故障形式機(jī)械設(shè)備故障分類機(jī)械設(shè)備的故障形式及其產(chǎn)朝氣理利用故障樹分析法分析故障故障樹分析的基本概念故障樹建立、定性與定量分析機(jī)械設(shè)備的故障診斷參數(shù)故障的征兆故障診斷參數(shù)機(jī)械設(shè)備故障狀態(tài)的確定及其方法確定故障狀態(tài)的指標(biāo)、原則和方法2-1機(jī)械設(shè)備的主要故障形式機(jī)械設(shè)備的故障分類按故障發(fā)生的緣由分劣化故障：t—零件—設(shè)備功能—故障發(fā)生人為故障：由人為緣由導(dǎo)致的故障按故障持續(xù)時(shí)間分臨時(shí)性故障：短時(shí)內(nèi)設(shè)備丟失某些局部功能，經(jīng)調(diào)整可復(fù)原許久性故障：造成設(shè)備功能丟失直至更換或修復(fù)故障零件按故障形成速度分突發(fā)性故障：由設(shè)備本身的因素和偶然的外界因素共同作用而導(dǎo)致的無明顯征兆的快速發(fā)生的故障，不行監(jiān)測漸發(fā)性故障：由各種老化緣由導(dǎo)致故障，有一個(gè)漸變過程，與時(shí)間有關(guān)，可監(jiān)測按故障性質(zhì)分功能故障：使設(shè)備不能接著完成其預(yù)定功能的故障參數(shù)故障：設(shè)備規(guī)定的性能參數(shù)超出允許極限按故障危害性分災(zāi)難性故障：導(dǎo)致設(shè)備毀損或人員傷亡的嚴(yán)峻后果一般性故障：非緊急性故障按故障存在形式分實(shí)際故障：設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的故障潛在故障：設(shè)備自身存在的可能發(fā)生的故障，其存在可以被檢測到、但尚未影響到設(shè)備功能或性能的實(shí)現(xiàn)，通過修理預(yù)防性措施可避開其成為實(shí)際故障機(jī)械設(shè)備的主要故障形式磨損機(jī)理：粘著磨損、磨粒磨損、乏累磨損、腐蝕磨損應(yīng)力：機(jī)械應(yīng)力抗力指標(biāo)：耐磨性、接觸乏累應(yīng)力變形機(jī)理：彈性變形、塑性變形應(yīng)力：機(jī)械應(yīng)力抗力指標(biāo)：彈性模量、彈性極限和屈服點(diǎn)斷裂：機(jī)理：乏累斷裂、靜載斷裂、環(huán)境斷裂裂紋機(jī)理：工藝裂紋、運(yùn)用裂紋腐蝕機(jī)理：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕2-2故障樹分析方法（FTA)基本概念故障事務(wù)：系統(tǒng)的各種故障、失效和不正常頂事務(wù)故障樹分析的目標(biāo)事務(wù)，位于故障樹的頂部底事務(wù)導(dǎo)致其它事務(wù)發(fā)生的緣由、頂事務(wù)發(fā)生的根本緣由事務(wù)中間事務(wù)位于頂事務(wù)和底事務(wù)之間的中間結(jié)果事務(wù)故障樹：用于分析某一頂事務(wù)發(fā)生形成的自頂而下的倒立樹狀邏輯圖故障樹分析運(yùn)用的主要符號AB1BnB1BnA與門當(dāng)輸入事務(wù)B1…Bn都發(fā)生時(shí)輸出事務(wù)A才發(fā)生或門當(dāng)輸入事務(wù)B1…Bn有任一發(fā)生輸出事務(wù)A就發(fā)生結(jié)果事務(wù)：中間事務(wù)頂事務(wù)底事務(wù)省略事務(wù)：未探明事務(wù)條件事務(wù)：指定確定條件才發(fā)生的事務(wù)X1X2X3頂事務(wù)中間事務(wù)X1X2X3故障樹分析法的主要內(nèi)容建立故障樹建立故障樹的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)牢靠性的定性分析進(jìn)行系統(tǒng)牢靠性的定量分析故障樹的建立確定頂事務(wù)任何須要分析的系統(tǒng)故障，只要可分解且有明確定義的，都可作為頂事務(wù)。通常為最不希望發(fā)生的故障。逐級確定中間事務(wù)、邏輯分析故障樹的定量分析找尋導(dǎo)致頂事務(wù)發(fā)生的全部故障模式，即找出故障樹的全部最小割集或最小路集割集：能使頂事務(wù)發(fā)生的一些底事務(wù)的集合，當(dāng)這些底事務(wù)同時(shí)發(fā)生時(shí)頂事務(wù)必定發(fā)生。最小割集：包含了最小數(shù)量且為最必需的底事務(wù)的割集路集：一些底事務(wù)的集合，當(dāng)這些底事務(wù)同時(shí)不發(fā)生時(shí)，頂事務(wù)必定不發(fā)生最小路集：若路集中所含的底事務(wù)隨意去掉一個(gè)就不再是路集，代表系統(tǒng)的一種正常模式最小割集的求解方法Fussell-Vesely方法:下行法Semanderes方法：上行法故障樹的定量分析以故障樹為計(jì)算模型，在已知底事務(wù)發(fā)生概率的狀況下，求頂事務(wù)的發(fā)生概率與門結(jié)構(gòu)的輸出事務(wù)發(fā)生概率P(X)=∩P(xi)=∏P(xi)或門結(jié)構(gòu)輸出事務(wù)的發(fā)生概率P(X)=∪P(xi)=1-∏[1-P(xi)]2-3機(jī)械設(shè)備的故障診斷參數(shù)故障的征兆（故障癥狀）總體性能變更振動異樣聲響異樣過熱現(xiàn)象磨損產(chǎn)物激增裂紋擴(kuò)展故障診斷參數(shù)診斷參數(shù)的分類干脆診斷參數(shù)：干脆反映設(shè)備故障狀態(tài)的參數(shù)間接診斷參數(shù)：間接反映設(shè)備故障的參數(shù)診斷參數(shù)的選擇原則信息性：能的確包含故障信息經(jīng)濟(jì)性：保證測試儀器有高的性能價(jià)格比穩(wěn)定性：具有較好的重現(xiàn)性靈敏性：單值性：最好與一種或少數(shù)幾種故障對應(yīng)便利性：平安性：不解體性：2-4機(jī)械設(shè)備故障狀態(tài)的確定確定故障狀態(tài)的四種指標(biāo)損傷程度的極限值依據(jù)機(jī)械類型及其牢靠性要求或?qū)C(jī)件強(qiáng)度減弱程度來具體確定輸出參數(shù)的極限值與機(jī)械設(shè)備性能親密相關(guān)的一些機(jī)械參數(shù)整機(jī)的極限狀態(tài)機(jī)械設(shè)備不宜接著進(jìn)行工作的極限狀態(tài)設(shè)備操縱性/工作質(zhì)量明顯下降、故障跡象加劇經(jīng)濟(jì)損失的極限值液壓系統(tǒng)故障的不同衡量標(biāo)準(zhǔn)平安員：已發(fā)生故障工程師：已發(fā)生故障生管：已發(fā)生故障積油油耗較高設(shè)備停運(yùn)時(shí)間狀態(tài)起先泄漏機(jī)械故障狀態(tài)的確定原則技術(shù)的先進(jìn)性輸出參數(shù)極限值的確定應(yīng)充分體現(xiàn)技術(shù)的先進(jìn)性接著運(yùn)用的緊急性狀態(tài)參數(shù)極限的確定必需考慮故障后果對四周環(huán)境的影響狀態(tài)參數(shù)的限制必需考慮對環(huán)境的影響修復(fù)的勞動量及費(fèi)用狀態(tài)參數(shù)的限制應(yīng)考慮修理費(fèi)用參數(shù)變更的可能性輸出參數(shù)極限值的隨機(jī)性故障狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)的確定方法生產(chǎn)閱歷法生產(chǎn)試驗(yàn)法類比分析法試驗(yàn)室探討計(jì)算分析法建立在理論分析基礎(chǔ)上，將各種因素之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)公式表示，依據(jù)該公式計(jì)算結(jié)果，確定故障狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)第三章機(jī)械設(shè)備故障診斷的

主要傳感器及其系統(tǒng)3-1振動診斷傳感器及其系統(tǒng)3-2溫度傳感器3-3壓力傳感器3-4聲放射診斷儀器及其系統(tǒng)3-5轉(zhuǎn)速傳感器3-6油液分析的常用儀器Ei(～)sI(f♂)金屬板線圈振動傳感器（1）——位移傳感器用途：測量旋轉(zhuǎn)軸軸向和徑向位移量原理圖結(jié)構(gòu)圖當(dāng)加有高頻電流的線圈與導(dǎo)電金屬片接近時(shí)，由于線圈磁力線的作用，在金屬片上產(chǎn)生電渦流，致使線圈的電感量減小通過測量線圈特性變更，即可測量振動位移。傳感器供應(yīng)一個(gè)與位移量成正比的電壓輸出。應(yīng)用特點(diǎn)：1、安裝于軸承座上，測量軸相對運(yùn)動；2、旋轉(zhuǎn)軸表面缺陷可導(dǎo)致誤差3、安裝需鉆孔4、一般設(shè)計(jì)信號輸出：200mv/um,8mv/um5、高精度測量，需接受溝通偶合電路振動傳感器（2）——速度傳感器用途：測量振動速度當(dāng)線圈做切割磁力線運(yùn)動時(shí)，將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這一感應(yīng)電動勢的大小與切割磁力線的速度成比例。振動引起傳感器線圈中磁鐵運(yùn)動，從而切割磁力線并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，將機(jī)器振動轉(zhuǎn)換為電信號，這一信號與振動速度成比例。阻尼環(huán)線圈磁鋼彈簧芯軸應(yīng)用特點(diǎn)：1、10-1000Hz內(nèi)可滿足大多數(shù)機(jī)器工作，在該頻率范圍外，主要用于測量齒輪轉(zhuǎn)動和高速渦輪機(jī)葉片振動；2、結(jié)構(gòu)簡潔、運(yùn)用便利；3、機(jī)械電子結(jié)構(gòu)，需考慮運(yùn)用范圍變更、失效和高溫條件引起標(biāo)定值變更振動傳感器（3）——加速度傳感器用途：測量振動加速度m輸出壓電片基座通過彈簧質(zhì)量系統(tǒng)將被測加速度變換成力或位移，然后由轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為電信號。對壓電式傳感器，當(dāng)傳感器承受振動時(shí)，壓電片將受到質(zhì)量塊產(chǎn)生的加速度力作用（F=ma），而壓電片產(chǎn)生的電荷q與外力F成正比，故傳感器輸出的電荷q與被測振動加速度成正比，即q=ka.壓電傳感器的性能，與壓電元件的性能有很大關(guān)系壓電式傳感器應(yīng)用特點(diǎn)：1、頻率范圍寬，上限：10-60kHz,下限：0.3*10-8-2*10-8Hz(用電荷放大器）2、相移?。▽弘妭鞲衅?，阻尼因素小）3、重量輕，安裝簡潔4、動態(tài)范圍大，靈敏度高，用于低加速度的振動測量及高加速度沖擊測量5、在低頻域，只能產(chǎn)生較低信號電平，較難推斷較低頻率的故障振動傳感器的選擇正確選擇所需參數(shù)位移傳感器通常用于測旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸向和徑向位移機(jī)械阻抗選擇軸不能干脆測量或剛性轉(zhuǎn)子，用速度或加速度頻率選擇頻率>1000Hz：加速度;10-1000Hz,舉薦速度速度和加速度的應(yīng)用場合速度：低速率（<1200rpm)、故障診斷、動平衡校正加速度：高頻域葉片、齒輪故障（1000Hz)、結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)，壽命要大于2年，高溫運(yùn)用》振動傳感器的安裝方法振動放大器工作原理：系統(tǒng)輸出電壓:U=-Q/Ct電荷偶合放大器的輸出電壓，僅由加速度傳感器兩端所產(chǎn)生的電荷和反饋電容確定。而與壓電傳感器的固有電容和電纜電容無關(guān)電荷放大器基本電路：以計(jì)算機(jī)為中心的診斷系統(tǒng)傳感器放大器AD轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)1、硬件組成：AD主頻：330KAD精度：12bit緩存：128K測速范圍：0—3,600,00(r/min)、光隔離